AR/VR技術(shù)在本科院校機械制造專業(yè)中的應用及實現(xiàn)方法

盛冬平 徐紅麗 尹飛鴻 蘇純 門艷鐘 何亞峰

摘? 要 以本科院校中的機械設(shè)計和制造專業(yè)為研究對象，分析專業(yè)特點并結(jié)合當前最新的AR/VR技術(shù)，嘗試將AR/VR技術(shù)配合專業(yè)定制化開發(fā)的軟件系統(tǒng)分別應用于課堂教學和工程實訓學習中，使得整個教學和學習過程處于虛擬環(huán)境或虛實結(jié)合的環(huán)境中。同時，針對機械制造技術(shù)和數(shù)控加工課程給出適用于不同應用場景的多種AR/VR解決方案。通過將AR/VR技術(shù)引入課堂教學和工程實踐學習環(huán)節(jié)，可以顯著提高學生的學習興趣和學習效率，并可通過某個點的課程學習改革帶動并改進整個專業(yè)的教學方法，為本科院校機械制造專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)進行新的技術(shù)引導下的教學改革提供了一條可行的思路。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實;增強現(xiàn)實;本科院校;機械設(shè)計和制造專業(yè);虛擬仿真教學系統(tǒng)

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）22-0035-04

Application and Realization of AR/VR Technology in Major of Mechanical Manufacturing for Undergraduate College//SHENG Dongping， XU Hongli， YIN Feihong， SU Chun， MEN Yanzhong， HE

Yafeng

Abstract This paper takes the mechanical manufacturing major in?undergraduate college as the research object， and the major charac-teristics are analyzed， combining the latest AR/VR virtual reality and augmented reality technology， AR/VR technology and professional software system are applied to classroom teaching and engineering practice learning respectively. The teaching and learning process are completed in the virtual environment or the combination of virtual and real environment. The course of mechanical manufacturing tech-nology and CNC machine are taken as examples for different appli-cation scenarios of a variety of solutions. By introducing AR/VR technology into teaching and practice， students interest in learning and learning efficiency could be enhanced significantly， and the tea-ching method of the whole major can be improved， which also pro-vides a feasible idea for the teaching reform of mechanical manufac-turing and related majors in undergraduate colleges.

Key words virtual reality; augmented reality; undergraduate colleges;mechanical design and manufacturing major; virtual simulation tea-ching system

1 前言

承襲了數(shù)百年的口述結(jié)合板書的教學方法后，隨著電子科技的發(fā)展，大學教育開始逐步從傳統(tǒng)板書形式向以電子設(shè)備為介質(zhì)的多媒體方向發(fā)展，多媒體教育從視聽角度幾乎徹底顛覆了傳統(tǒng)教育方式，顯著提高了學生的學習效率和學習興趣。近年來，以AR/VR為代表的新興技術(shù)得到迅猛發(fā)展，首先在多個行業(yè)包括醫(yī)療和航空等高精尖領(lǐng)域得到普及，并逐步得到行業(yè)認可，在行業(yè)應用中獲得較好的口碑和實際效果。后來經(jīng)過高等教育在人才培養(yǎng)領(lǐng)域推進智能教育的積極探索，成為形成高水平人才培養(yǎng)體系的關(guān)鍵一環(huán)[1]。

從基本定義上來看，VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）[2-5]

是仿真技術(shù)與計算機圖形學、人機交互和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的綜合體，操作者需要戴上頭盔，手持操控手柄或者利用數(shù)據(jù)手套等設(shè)備進入由計算機生成的虛擬環(huán)境，在該模擬環(huán)境中進行交互，沉浸到該環(huán)境中并且能夠感知和操作模擬環(huán)境中的各種與真實世界一一對應的對象，從而獲得身臨其境的體驗。

AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）是在VR基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種技術(shù)，能夠?qū)崟r地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術(shù)，將真實世界和虛擬世界進行有機適配。這種技術(shù)實現(xiàn)了在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行實時互動，同時具備了VR環(huán)境中的沉浸感和AR環(huán)境中的真實感。下面介紹一個AR環(huán)境下的典型教學應用案例。

在進行發(fā)動機拆裝學習時，傳統(tǒng)方法是對學生進行分組，然后對發(fā)動機進行拆卸，最后莊進行裝配。這種方法有較好的可操作性，但在實際應用中存在效率低下且易丟失零件等實際問題?，F(xiàn)在可以借助AR技術(shù)來實現(xiàn)高效且富有生趣的學習過程：學生在戴上AR眼鏡后，一個虛擬的發(fā)動機裝配模型呈現(xiàn)在眼前;利用真實工具柜里的工具對虛擬發(fā)動機進行拆裝，虛擬發(fā)動機模型中的各零件可以通過人機交互進行虛擬拆裝，這樣就很好地解決了傳統(tǒng)教學中的常見問題。

基于AR/VR技術(shù)，教學環(huán)境更為逼真，更為生動有趣，能夠?qū)⒔虒W內(nèi)容通過虛擬或虛實結(jié)合的方式展示出來。從實踐效果來看，該方法顯著了提高學生學習的主動性和積極性，加深了對知識點的理解與記憶[6-9]。

本文利用AR/VR技術(shù)，結(jié)合本科院校中機械制造專業(yè)的特點進行教學思考，將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)應用到課堂教學和綜合實訓教學環(huán)節(jié)，并給出兩種不同且詳細的實現(xiàn)方案，為后續(xù)AR/VR技術(shù)在整個專業(yè)課程甚至整個工科課程體系教學和實踐中的應用提供參考。

2 本科院校機械設(shè)計和制造專業(yè)的特點以及與AR/VR技術(shù)的結(jié)合點分析

本科院校機械設(shè)計和制造專業(yè)的特點? 本科院校的機械設(shè)計和制造專業(yè)包括機械制造技術(shù)、機械制造工藝學、機械裝備和數(shù)控加工等專業(yè)課。此類專業(yè)課都存在顯著也共有的特點：實操性強，所涉及的內(nèi)容復雜。學生難以通過常規(guī)課堂授課的方式來深刻理解各個知識點，通常需要通過增加實驗課或者工程實踐的方法來輔助學習，從而達到課程學習的目的。

以機械制造技術(shù)課程為例，該課程包括冷加工和熱加工兩大類。其中，冷加工包括各類機床的加工原理和操作方法，而熱加工包括鑄、鍛、焊等加工原理和設(shè)計方法。該課程學習的對象是機床等復雜設(shè)備，且具有顯著的實操性要求，而傳統(tǒng)的課堂授課通常只能讓學生了解其大概內(nèi)容，而學生真正需要掌握的細節(jié)知識點和相關(guān)原理則需要通過工程實踐的方法來掌握并理解。通常該課程在課堂學習后，需要通過數(shù)周甚至更長的時間來完成對應的工程實踐，且由于設(shè)備和指導教師人員數(shù)量的限制，需要將學生進行分組學習，導致學習效率低下且耗時長。另外，由于在生產(chǎn)實踐過程中接觸的大多是運轉(zhuǎn)中的大型機械設(shè)備，使得實踐學習能耗高且具有一定的安全隱患。

AR/VR技術(shù)與機械制造專業(yè)的結(jié)合點分析? 機械制造專業(yè)的特點決定了其具有較高的難度，以及學生需要全程啟用設(shè)備來親身實踐。如何能讓學生更快更有效地掌握知識點，并盡可能地在少啟用真實設(shè)備或者不啟用真實設(shè)備的情況下達到同樣的甚至更好的學習效果？AR/VR技術(shù)給出一條較好的路徑。其中，VR技術(shù)很好地解決了課堂學習中的短板。同樣以機械制造技術(shù)為例，讓學生在課堂上戴上VR眼鏡，啟動教學系統(tǒng)，使得學生沉浸在虛擬的三維空間中，機床即呈現(xiàn)在眼前。學生可以通過操控手柄或數(shù)字手套來控制虛擬機床的運行，并與機床進行信息交互，了解機床內(nèi)部的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳動原理。

另外，AR技術(shù)可以在工程實踐學習中得到應用。以數(shù)控機床的編程學習為例，學生只需要戴上AR眼鏡，一臺虛擬的數(shù)控機床即疊加在眼前的真實環(huán)境中，即現(xiàn)實中沒有數(shù)控機床，但眼前看到的卻有一臺虛擬的數(shù)控機床以及其他真實的物理環(huán)境，實現(xiàn)真實世界和虛擬世界的有機融合。通過將數(shù)控程序輸入虛擬數(shù)控機床，并對機床進行控制，實現(xiàn)零部件的虛擬加工，從而實現(xiàn)數(shù)控機床的操作以及CNC程序的驗證學習。

3 AR/VR在教學中的應用和方案分析

VR在課堂教學中的應用? 同樣以機械制造技術(shù)課程的學習為例，該課程以學生掌握各種加工原理和操作方法為學習目標，使用VR技術(shù)并結(jié)合自主開發(fā)的機械制造基礎(chǔ)虛擬仿真教學系統(tǒng)，在課堂上或多媒體教室中，通過佩戴VR眼鏡，使得整個學習過程都沉浸于虛擬機床環(huán)境中。通過對機床進行虛擬運行和虛擬拆裝，可以更加有效地學習各類加工技術(shù)的原理和方法。圖1為該虛擬仿真教學系統(tǒng)的主界面，在主界面中可以選擇各種加工工藝。選定學習內(nèi)容后，即可進入虛擬世界，開始學習零件加工操作方法，圖2即為選擇車削工藝后出現(xiàn)的界面。佩戴VR頭盔的學生即可感受沉浸在圖2所示的虛擬仿真環(huán)境中，有利于提高學習興趣，獲得很好的學習效果。

AR/VR在工程實踐學習環(huán)節(jié)的應用和實現(xiàn)方法? 以數(shù)控機床的編程和學習為例，目前的學習方法是通過第三方軟件編程，然后將CNC程序?qū)霐?shù)控機床中并運行機床加工工件，進而通過檢查加工完成后的工件來驗證程序的正確性。此類傳統(tǒng)學習方法存在幾個典型問題，包括浪費物料、學習成本高并存在安全隱患等。圖3給出基于AR/VR技術(shù)的三種可行方案。該數(shù)控機床AR/VR訓練系統(tǒng)以提高學習效率和質(zhì)量為目標，采用增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的方法，該方法適用于車、銑、刨、磨、鏜等數(shù)控機床系統(tǒng)，可以顯著提高學生認知和學習效率。該系統(tǒng)很好地解決了幾個方面的問題：零耗材（毛坯/刀具）使用、CNC程序正確性自動檢測、撞刀/撞主軸等加工過程異常預測與報警、加工后數(shù)模的可視化對比。

圖3中的方案1是利用AR/VR大屏幕顯示的方式來輸出加工信息以及整個實訓中心的信息;方案2是通過學生戴上AR眼鏡，在AR眼鏡中顯示相關(guān)信息，即學生看到的內(nèi)容是虛擬信息和真實環(huán)境的有機結(jié)合體;方案3是利用平板電腦的方式，無須再佩戴眼鏡，直接將相關(guān)信息在平板電腦中顯示輸出。這三種方案各有優(yōu)點，適合于不同的應用場景。

圖4為基于AR技術(shù)的數(shù)控機床實訓系統(tǒng)案例，該系統(tǒng)有效地實現(xiàn)了虛擬和真實環(huán)境的有機融合，并為學生提供了友好的互動操作界面。除了常規(guī)的學習內(nèi)容外，還可以在AR眼鏡中實時顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)和相關(guān)動態(tài)參數(shù)。

AR/VR培訓學習系統(tǒng)的CNC程序的操作和驗證流程如圖5所示。需要注意的是，該系統(tǒng)真實物理環(huán)境中包括數(shù)控機床，但并不存在真實的刀具、夾具和毛坯等部件，在AR眼鏡中（即學生佩戴眼鏡后看到的）顯示出的內(nèi)容是真實數(shù)控機床和虛擬的毛坯工件、夾具和刀具的有機融合。機床主軸根據(jù)學生編制的數(shù)控程序開始運行，虛擬的刀具也會隨著主軸的運動而同步運動。另外，虛擬工件也會隨著虛擬刀具的運動產(chǎn)生虛擬切削，所有真實系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)都會在大屏幕上、AR眼鏡中或平板電腦中同步顯示。這種方案給使用者的體驗和利用真實數(shù)控機床、毛坯、刀具和夾具的效果完全一致，但同時具有前述提到的顯著優(yōu)勢。另外，在真實機床完成運行后，虛擬加工完成后的虛擬成品模型可與理想模型進行對比，從而用來驗證學生編制的數(shù)控加工程序的正確性。

4 結(jié)論

本文以本科院校中的機械設(shè)計和制造專業(yè)為研究對象，結(jié)合分析該專業(yè)特點和當前最新的AR/VR（虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實）技術(shù)，將AR/VR技術(shù)結(jié)合軟件系統(tǒng)分別應用于課堂教學和工程實訓學習中，并給出適用于不同應用場景的多種解決方案。通過將AR/VR技術(shù)引入教學環(huán)節(jié)，可顯著提高學生的學習興趣和學習效率，并可改進整個專業(yè)的教學方法，為本科院校機械設(shè)計和制造專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的教學改革提供了一條可行的參考思路。

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